第十五章 化学与技术.docx
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第十五章化学与技术
第十五章 化学与技术
考纲要览
1.了解我国无机化工的生产资源和产品的主要种类。
2.了解煤、石油和天然气等综合利用的意义。
了解海水的综合利用。
了解化学科学发展对自然资源利用的作用。
3.了解化学对废旧物资再生与综合利用的作用。
4.了解社会发展和科技进步对材料的要求。
了解化学对材料科学发展的促进作用。
5.了解金属材料、无机非金属材料、高分子合成材料、复合材料和其他新材料的特点及有关的生产原理。
了解用化学方法进行金属材料表面处理的原理。
6.了解我国现代材料研究和材料工业的发展情况。
了解新材料的发展方向。
7.了解化学在水处理中的应用。
8.了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义。
了解催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义。
9.了解化学肥料、农药等在农业生产中的作用。
了解精细化工产品的生产特点、精细化工在社会发展中的作用。
考向展望
考查重点
考查难点
考向预测
热点预测
题型预测
煤、石油和天然气等的综合利用;海水的综合利用;金属材料、无机非金属材料、高分子合成材料、复合材料和其他新型材料的特点及生产原理;合成氨的原理、原料、重要设备、流程和意义及催化剂的使用;化学肥料、农药等在农业生产中的作用
重要的化工工艺,如金属铝的冶炼、氯碱工业、钢铁工业、硫酸工业及合成氨工业等
水处理(硬水软化、海水的淡化、污水的处理等),依托海水元素的提取、氯碱工业、合成氨工业、硫酸工业、纯碱工业等综合考查化学反应原理、新技术、新设备的应用,化学材料的制造与应用等
主要命题载体是化工工艺。
综合考查工艺流程、工艺原理及化工生产中应该注意的一些问题
知识结构
第1讲 化学与工业、资源的开发利用
考点突破方法
考点一 化学与工业
1.
硫酸生产流程和原理
化学反应原理在硫酸生产中的应用:
(1)增大反应速率的措施:
①升高温度,②使用催化剂,③在沸腾炉中燃烧燃料时,把原料粉碎,增大与空气的接触面积。
(2)逆流原理的应用:
沸腾炉中原料从炉顶落下,热空气从炉底吹入,使原料与助燃气体充分接触,反应充分进行;吸收塔中使用大量耐酸瓷环(片),98%浓硫酸从塔顶喷下,三氧化硫气体从塔底吹入,提高吸收程度。
(3)热交换原理的应用:
由于SO2生成SO3是放热反应,在接触室内使用热交换器,使反应后的气体预热作为接触室的原料气,达到节约能源、降低生产成本的目的。
(4)循环操作原理的应用:
由于SO2生成SO3是可逆反应,尾气中含有一定的SO2和O2,再通过一定措施将这部分气体送回接触室,提高原料利用率,同时减少废气排放。
2.合成氨
(1)反应原理:
N2+3H2
2NH3。
反应特点:
可逆、放热、体积减小。
(2)适宜条件:
①压强:
10~30MPa(受动力、材料、设备限制);②温度:
400~500℃(催化剂活性最高);③催化剂:
铁触媒(加快反应速率,不影响平衡);④循环操作:
将氨液化分离,N2、H2循环使用。
特别提醒:
化工生产适宜条件选择依据:
(1)反应速率越快越好。
(2)化学平衡正向进行程度越大越好,即原料利用率越高越好。
(3)成本越低越好,即低能耗、低投入。
3.索尔维制碱法和联合制碱法
(1)索尔维制碱法
原料:
氯化钠、碳酸钙及NH3。
流程:
CaCO3
CaO+CO2↑,CO2+NH3+H2O===NH4HCO3,NaCl+NH4HCO3===NaHCO3↓+NH4Cl,2NaHCO3
Na2CO3+H2O↑+CO2↑,CaO+H2O===Ca(OH)2。
(2)联合制碱法:
NH3和CO2来源于合成氨厂。
工艺流程:
NH3+CO2+H2O===NH4HCO3,NaCl+NH4HCO3===NaHCO3↓+NH4Cl,2NaHCO3
Na2CO3+H2O↑+CO2↑。
(3)联合制碱法(侯氏制碱法)优点在于提高了实验的利用率,无氯化钙废料,缩短生产流程,节省投资、降低成本。
【例1】(2012·海南卷)合成氨的流程示意图如下:
回答下列问题:
(1)工业合成氨的原料是氮气和氢气。
氮气是从空气中分离出来的,通常使用的两种分离方法是 、 ;氢气的来源是水和碳氢化合物,写出分别采用煤和天然气为原料制取氢气的化学方程式:
, 。
(2)设备A中含有电加热器,触媒和热交换器,设备A的名称是 ,其中发生的化学反应方程式为 。
(3)设备B的名称为 ,其中m和n是两个通水口,入水口是 (填“m”或“n”)。
不宜从相反方向通水的原因是 。
(4)设备C的作用是 。
(5)在原料气制备过程中混有的CO对催化剂有毒害作用,欲除去原料气中的CO,可通过如下反应来实现:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)
已知1000K时该反应的平衡常数K=0.627,若要使CO的转化率超过90%,则起始物中c(H2O)∶c(CO)不低于 。
【解析】
(1)利用空气中氮气的沸点比氧气的沸点低,先将空气加压降温变成液态,然后再加热,使氮气首先从液态空气中蒸发出来,留下的就是液态氧气。
故分离方法是液化和分馏;另一种方法是将空气与C反应后除去CO2,采用煤和天然气制备H2的方程式为:
C+H2O(g)
CO+H2、CH4+H2O
CO+3H2。
(2)合成氨的设备为合成塔;发生的反应是N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)。
(3)冷凝分离氨气的设备为冷却塔;为了增强冷却效果,冷却水应从下端进入,逆向冷却效果好。
(4)设备C是分离器,能将液氨和未反应的原料分离。
(5)设CO、H2O的起始浓度分别为x、y,且CO的转化率为90%,则单位(mol·L-1):
CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g)
起始浓度 x y 0 0
转化浓度 0.9x 0.9x 0.9x 0.9x
平衡浓度0.1x y-0.9x 0.9x0.9x
K=
=
=0.627,得:
≈13.8,只要增加H2O量,就可提高CO的转化率。
【答案】
(1)液化 分馏 与C反应后除去CO2 C+H2O(g)
CO+H2 CH4+H2O
CO+3H2
(2)合成(氨)塔 N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
(3)冷却塔(或冷凝器) n 高温气体由冷却塔的上端进入,冷却水应从下端进入,逆向冷却效果好
(4)将液氨和未反应的原料气分离
(5)13.8
【变式1】(2013·上海卷)与索尔维制碱法相比,侯德榜制碱法最突出的优点是( )
A.原料利用率高
B.设备少
C.循环利用的物质多
D.原料易得
【解析】两种方法都发生反应:
NH3+H2O+CO2+NaCl===NH4Cl+NaHCO3↓。
索尔维制碱法对滤液的处理是加熟石灰使氨气循环,产生的CaCl2几乎没什么用途,而侯氏制碱法是向滤液通入二氧化碳、氨气,结晶出NH4Cl,其母液可以作为制碱原料,提高食盐利用率。
【答案】A
考点二 化学与资源开发
1.获取洁净水的过程和途径
(1)获取洁净水的一般过程:
混凝沉淀、过滤、杀菌。
常用的混凝剂:
明矾、绿矾、硫酸铝、聚合铝、硫酸铁等。
(2)获取洁净水的途径:
①水的净化:
利用加入混凝剂(如明矾)沉淀杂质的混凝法;②硬水软化:
利用降低水中钙、镁离子含量的加热法、药剂法、离子交换法;③污水处理:
利用中和废水的中和法、将重金属离子转化为沉淀的沉淀法;④海水淡化:
利用蒸馏浓缩的蒸馏法、离子交换膜的选择性透过净化海水的电渗析法。
2.海水的综合利用
(1)氯碱工业
①氯碱工业原理:
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑,阴极:
2H++2e-===H2↑,总反应式为
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑。
②精制食盐水:
粗盐中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO
,所用试剂只有过量才能除净这些杂质,试设计一个合理的顺序逐一除杂。
过滤―→过量NaOH溶液―→过量BaCl2溶液(前两步可互换)―→纯碱溶液―→过滤。
精制食盐水的目的:
防止隔膜堵塞,提高产品的纯度。
③离子交换膜的作用:
阻止阴极室产生的氢气、氢氧化钠与在阳极室的氯气混合反应。
(2)海水中提取镁
方程式为:
①CaCO3
CaO+CO2↑,②CaO+H2O===Ca(OH)2,③MgCl2+Ca(OH)2===Mg(OH)2↓+CaCl2,④Mg(OH)2+2HCl===MgCl2+2H2O,⑤MgCl2·6H2O
MgCl2+6H2O,⑥MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑。
3.石油和煤的综合利用
(1)石油加工和应用
石油是烃的混合物,因此没有固定的沸点。
工业上通过常压分馏和减压分馏的方法,把石油分成不同沸点范围的馏分。
而每一种分馏出来的馏分仍是混合物。
为了获取更多的轻质油,特别是提高汽油的产量,采用裂化的方法,在一定条件下,将相对分子质量较大、沸点较高的烃分解为相对分子质量较小、沸点较低的烃。
(2)煤的气化和液化
①煤的气化:
把煤中的有机物转化成可燃性气体的过程。
如C+H2O
CO+H2。
②煤的液化:
把煤转化成液体燃料的过程。
煤的液化分直接液化和间接液化,产品有液化石油气、汽油、煤油、柴油等。
特别提醒:
(1)石油裂化的目的是为了提高轻质燃料(汽油、煤油和柴油等)的产量,特别是提高汽油的产量;裂解是采用更高的温度,使其中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等小分子烃。
(2)直馏汽油和裂化汽油不同,可通过溴水或KMnO4酸性溶液进行鉴别,前者是烷烃的混合物,后者含不饱和烃,因而现象不同。
(3)煤的干馏、液化和气化都属于化学变化。
【例2】(2012·山东卷)石油和煤炭加工过程涉及多种技术和设备。
(1)石油分馏时,在不断向 (填工业设备名称)内投放原料的同时获得产品,该过程为 操作过程。
(2)石油裂化分为热裂化、 和加氢裂化,裂化的目的是提高 的产量。
(3)煤的洗选是为了降低原煤中灰分和 的含量。
煤的流化床燃烧是指空气从底部吹向煤炭颗粒,并使全部煤炭颗粒 进行燃烧的过程。
(4)煤的直接液化是煤与适当溶剂混合后在高温和 存在下与 作用生成液体燃料的过程。
【思路点拨】根据石油和煤的综合利用即可解答。
【解析】
(1)石油分馏时,向分馏塔中不断加入原料的同时就可在分馏塔上下两部分得到产品,因而石油的分馏是一个连续操作规程。
(2)石油裂化是将长链、高沸点的烃断裂为短链、低沸点的烃。
其目的是提高轻质燃料特别是汽油的产量。
(3)煤的洗化是为了降低原煤中灰分和硫的含量,减少燃烧过程中烟尘、SO2的排放;空气从底部吹向煤炭颗粒,可以使煤炭颗粒浮动,增大其与空气的接触面积,使燃烧更充分。
(4)煤的直接液化是指在高温、催化剂条件下煤与氢气作用生成甲醇等液态燃料的过程。
【答案】
(1)分馏塔 连续
(2)催化裂化 轻质燃料油(或汽油) (3)硫(S) 浮动 (4)催化剂 氢气(H2)
【变式2】(2013·上海卷)溴主要以Br-形式存在于海水中,海水呈弱碱性。
工业上制备的Br2的操作步骤为:
①一定条件下,将Cl2通入浓缩的海水中,生成Br2。
②利用热空气将Br2吹出,并用浓Na2CO3溶液吸收,生成NaBr、NaBrO3等。
③用硫酸酸化步骤②得到的混合物。
完成下列填空:
(1)Cl2氧化Br-应在________条件下进行,目的是为了避免______________________。
(2)Br2可用热空气吹出,其原因是____________________________________________。
(3)写出步骤③所发生的化学方程式:
_______________________________________。
用硫酸而不用盐酸酸化的原因可能是_______________________________________。
步骤②的产品有时运输到目的地后再酸化,主要是因为_______________________。
【解析】
(1)利用存在Br-的海水呈碱性和Br2可与碱性物质反应可知,为防止氧化得到的溴与碱发生歧化反应,氯气在氧化Br-时应在酸性条件下进行。
(2)溴可与被热空气吹出,是因为溴的沸点低,易挥发。
(3)向NaBr和NaBrO3的混合溶液中加入H2SO4,Br-与BrO
发生氧化还原反应生成Br2,结合原子守恒可写出反应的化学方程式;酸化时不用盐酸是防止在酸性条件下,BrO
将Cl-氧化为Cl2混入溴中;因溴的强氧化性(或强腐蚀性),所以将混合液运送到目的地再酸化。
【答案】
(1)酸性 生成的溴与碱发生歧化反应(或Cl2歧化)
(2)溴的沸点较低,易挥发
(3)5NaBr+NaBrO3+3H2SO4===3Na2SO4+3Br2+3H2O 防止在酸性条件下,溴酸钠结合H+生成的溴酸能将Cl-氧化为氯气,影响生成的溴的纯度 溴的强氧化性(或强腐蚀性)
第2讲 化学与材料、技术的发展
考点突破方法
考点一 化学与无机非金属材料
1.传统的无机非金属材料
2.新型的无机非金属材料
特别提醒:
(1)新型无机非金属材料的主要成分不是硅酸盐,只有传统无机非金属材料才是硅酸盐。
(2)传统无机非金属材料主要指硅酸盐材料,具有耐高温、耐腐蚀、硬度大等特点;缺点:
质脆。
(3)玻璃的特性——无固定熔点。
(4)水泥的特性——水硬性,添加石膏的作用是调节水泥硬化速度。
【例1】(2013·全国新课标卷Ⅱ)锌锰电池(俗称干电池)在生活中的用量很大。
两种锌锰电池的构造图如图(a)所示。
回答下列问题:
(1)普通锌锰电池放电时发生的主要反应为:
Zn+2NH4Cl+2MnO2===Zn(NH3)2Cl2+2MnOOH
①该电池中,负极材料主要是________,电解质的主要成分是________,正极发生的主要反应是____________________________。
②与普通锌锰电池相比,碱性锌锰电池的优点及其理由是__________________________。
(2)图(b)表示回收利用废旧普通锌锰电池的一种工艺(不考虑废旧电池中实际存在的少量其他金属)。
①图(b)中产物的化学式分别为A________________,B________________。
②操作a中得到熔块的主要成分是K2MnO4。
操作b中,绿色的K2MnO4溶液反应后生成紫色溶液和一种黑褐色固体,该反应的离子方程式为________________________________。
③采用惰性电极电解K2MnO4溶液也能得到化合物D,则阴极处得到的主要物质是________(填化学式)。
【解析】
(1)分析电池放电时的总方程式中各元素化合价变化可知,Zn在负极失电子发生氧化反应,NH
和MnO2在正极得电子生成NH3和MnOOH,NH3与负极产生的Zn2+结合生成[Zn(NH3)2]2+。
(2)①废旧锌锰电池中含有Zn(NH3)2Cl2,加稀盐酸生成ZnCl2和NH4Cl,浓缩结晶,过滤得到ZnCl2和NH4Cl固体,加热后NH4Cl分解,与ZnCl2分离,故A为ZnCl2,B为NH4Cl。
②操作b中通入CO2,生成紫色溶液,则溶液中含有MnO
,还生成一种黑褐色固体,即MnO2。
③根据图示可知D为KMnO4,即在阳极MnO
失电子生成MnO
,而在阴极H+得电子生成H2。
【答案】
(1)①Zn NH4Cl MnO2+e-+NH
===MnOOH+NH3
②碱性电池不易发生电解质溶液的泄漏,因为消耗的负极改装在电池的内部;碱性电池使用寿命较长,因为金属材料在碱性电解质中比在酸性电解质中的稳定性提高(答对一条即可,其他答案也可)
(2)①ZnCl2 NH4Cl ②3MnO
+2CO2===2MnO
+MnO2↓+2CO
③H2
【变式1】晶体硅是信息科学和能源科学中的一种重要材料,可用于制芯片和太阳能电池等,以下是工业上制取纯硅的一种方法:
请回答下列问题(各元素用相应的元素符号表示):
(1)在上述生产过程中,属于置换反应的有________(填反应的代号Ⅰ~Ⅳ)。
(2)A、B、C三种气体,在上述生产过程中可循环利用的是__________;在“节能减排”中作为减排目标的一种气体是________。
(3)化合物甲的用途很广,有些已应用于高、精、尖科技领域。
通常可作建筑工业和造纸工业上的黏合剂,可作肥皂的填料,是天然水的软化剂。
将石英砂和纯碱按一定比例混合加热至1373~1623K反应生成化合物甲,其化学方程式为______________________________。
(4)利用反应Ⅲ能制得纯硅的原因是_____________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)已知反应Ⅳ中产物的总能量比反应物的总能量低,则在密闭容器内反应Ⅳ建立平衡,改变下列的一个条件,能使气体B的物质的量增大的是________。
a.缩小容器的容积
b.降低反应体系的温度
c.加入少量NaOH固体(生成物在此温度下不分解)
d.加入少量催化性能更好的催化剂
(6)金属镍(Ni)与气体A能形成常温下为液态的Ni(A)4,利用Ni(A)4的生成与分解可以制得纯度很高的纳米镍,写出Ni(A)4在423K时分解的化学方程式:
_______________________
________________________________________________________________________。
【解析】据反应流程图可知有关的化学方程式为:
SiO2+2C
Si(粗)+2CO↑,
Si+3HCl
SiHCl3+H2;CO+H2O
CO2+H2,SiHCl3+H2===Si(纯)+3HCl。
【答案】
(1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
(2)H2、HCl CO2
(3)SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑
(4)反应体系中只有Si是固体,其他物质在1357K时均为气体且在Si中不溶解
(5)b (6)Ni(CO)4
Ni+4CO↑
考点二 化学与金属材料——化工流程
1.金属的冶炼方法是依据金属在金属活动顺序中的位置确定的,位置越靠前,冶炼要求的条件越高。
2.金的获取方法是利用富集法,属于物理方法,即“淘金”。
3.解答化工流程题的一般步骤:
先明确产品、原料和问题―→再根据流程图找出中间产物―→写出每步的反应物、生成物和目的―→根据设问和相关的化学理论知识准确规范作答。
【例2】(2013·全国新课标卷Ⅰ)草酸(乙二酸)可作为还原剂和沉淀剂,用于金属除锈、织物漂白和稀土生产。
一种制备草酸(含2个结晶水)的工艺流程如下:
回答下列问题
(1)CO和NaOH在一定条件下合成甲酸钠,甲酸钠加热脱氢的化学方程式分别为________________________________、________________________________。
(2)该制备工艺中有两次过滤操作,过滤操作①的滤液是____________,滤渣是____________;过滤操作②的滤液是____________和____________,滤渣是__________。
(3)工艺过程中③和④的目的是________________________________________。
(4)有人建议甲酸钠脱氢后直接用硫酸酸化制备草酸。
该方案的缺点是产品不纯,其中含有的杂质主要是________________。
(5)结晶水合草酸成品的纯度用高锰酸钾法测定。
称量草酸成品0.250g溶于水,用
0.0500mol·L-1的KMnO4酸性溶液滴定,至浅粉红色不消褪,消耗KMnO4溶液15.00mL,反应的离子方程式为___________________________________________;列式计算该成品的纯度_______________________________________________________________________________。
【思路点拨】解题关键是仔细观察流程图。
根据物质的性质(如根据草酸钙难溶于水、硫酸钙微溶于水,可推导出过滤操作①和过滤操作②所得的滤液和滤渣的成分)完成各题。
【解析】
(1)根据流程图中的信息,结合原子守恒,可写出相应的化学方程式。
(2)向草酸钠溶液中加入Ca(OH)2,生成NaOH和难溶于水的草酸钙,因此过滤操作①的滤液是NaOH溶液,滤渣是草酸钙。
将草酸钙用硫酸酸化,生成草酸和微溶于水的硫酸钙,因此过滤操作②的滤液是草酸溶液和过量的硫酸,滤渣是硫酸钙。
(3)工艺③是循环利用NaOH,工艺④是循环利用硫酸,减少污染,降低成本。
(4)甲酸钠脱氢后的产物是草酸钠,草酸钠与硫酸反应生成草酸和硫酸钠,因此得到的草酸中含有硫酸钠杂质。
(5)在反应中,高锰酸钾作氧化剂被还原为Mn2+,草酸作还原剂被氧化为CO2,根据电子得失守恒、电荷守恒和原子守恒,可写出离子方程式:
5C2O
+2MnO
+16H+===2Mn2++8H2O+10CO2↑。
根据反应的离子方程式可得关系式:
5H2C2O4·2H2O===2KMnO4
5 2
n 0.0500mol·L-1×15.0mL×10-3L·mL-1
n(H2C2O4)=
×0.0500mol·L-1×15.0mL×10-3L·mL-1=0.00075mol,
m(H2C2O4·2H2O)=126g·mol-1×
×0.00075mol。
【答案】
(1)CO+NaOH
HCOONa
2HCOONa
Na2C2O4+H2↑
(2)NaOH溶液 CaC2O4 H2C2O4溶液 H2SO4溶液CaSO4
(3)分别循环利用氢氧化钠和硫酸(降低成本),减小污染
(4)Na2SO4
(5)5C2O
+2MnO
+16H+===2Mn2++8H2O+10CO2↑
×100%=94.5%
【变式2】(2013·山东卷)废旧硬质金刀具中含碳化钨(WC)、金属钴(Co)及少量杂质铁,利用电解法可回收WC和Co。
工艺流程简图如下:
(1)电解时废旧刀具作阳极,不锈钢作阴极,HCl溶液为电解液。
阴极主要的电极反应式为____________________________________。
(2)净化步骤所得滤饼的主要成分是__________。
回收的洗涤液代替水配制电解液,目的是回收利用其中的___________。
(3)溶液Ⅰ的主要成分是___________。
洗涤CoC2O4不充分对最终产品纯度并无明显影响,但焙烧时会造成环境污染,原因是____________________________________。
(4)将Co2O3还原成Co粉的化学方程式为________________________________。
【解析】
(1)电解时Fe、Co在阳极被氧化为氯化亚铁和氯化钴,阴极氢离子被还原。
(2)加入双氧水把Fe2+氧化为Fe3+,再通入NH3反应生成Fe(OH)3沉淀和NH4Cl;而氯化钴留在洗涤液中,回收洗涤液目的是回收Co。
(3)加入草酸铵后氯化钴转化为CoC2O
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